Trabajo Fin de Grado DISEÑO DE UNA ANTENA DE ...en general, y para frecuencias elevadas...

Universidad Carlos iii de Madrid

Escuela Politécnica Superior

Departamento de Teoría de la Señal yComunicaciones

Trabajo Fin de Grado

DISEÑO DE UNA ANTENA DE PARCHE DE

BANDA ANCHA CON POLARIZACIÓN CIRCULAR

Grado en Ingeniería de Sistemas de Comunicaciones

Autor:

Francisco Javier Roig Díaz

Director:

José Luis Vázquez Roy

Leganés, Febrero de 2015

Índice general

1. Introducción a las antenas de parche 8

1.1. Ventajas y desventajas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8

1.2. Origen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8

1.3. Características . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

1.3.1. Tipos de alimentación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

1.3.2. Medidas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11

2. Antenas de parche con polarización circular 16

2.1. Alimentación con un solo puerto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17

2.1.1. Parche con bordes modicados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17

2.1.2. Parche con esquinas modicados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18

2.1.3. Parche con ranura diagonal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18

2.2. Alimentación con dos puertos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18

3. Objetivos del proyecto 19

3.1. Denición de especicaciones. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19

4. Diseños realizados 21

4.1. Primer diseño realizado: Antena con un gran ancho de banda . . . . . . . . . . . . . . . . 21

4.2. Segundo diseño: Antenas con polarización circular . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24

4.2.1. Polarización circular con alimentación de un puerto . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24

4.2.2. Polarización circular con alimentación de dos puertos . . . . . . . . . . . . . . . . . 33

4.3. Elección de la topología nal y optimización del diseño . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35

4.3.1. Primera optimización: aproximación de la alimentación al parche . . . . . . . . . . 35

4.3.2. Segunda optimización: introducción de elementos con perdidas . . . . . . . . . . . 39

4.3.3. Ultima optimización: introducción de elementos con perdidas . . . . . . . . . . . . 42

5. Construcción del prototipo 47

5.1. Medidas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47

6. Conclusiones y futuras líneas de investigación 50

6.1. Conclusiones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50

6.2. Futura lineas de investigación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51

2

ÍNDICE GENERAL 3

7. Presupuesto 52

Bibliografía 54

Índice de guras

1.1. Estructura antena microstrip . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

1.2. Alimentación por línea de transmisión: a) Conexión directa y b)conexión con inserciones. . 10

1.3. Alimentación por sonda de cable coaxial . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10

1.4. Alimentación por el método de proximidad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11

1.5. Alimentación por el método de apertura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11

1.6. Red de dos puertos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12

1.7. Tabla signicado parámetros S en red de dos puertos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12

1.8. Sistema de coordenadas esféricas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13

1.9. Sistema de coordenadas esféricas en 2D . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13

1.10. Elipse de polarización . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14

1.11. Ejemplo polarización lineal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14

1.12. Ejemplo polarización circular . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14

2.1. Variación de los dos modos ortogonales con un solo puerto de alimentación . . . . . . . . . 17

2.2. Figura parche con bordes modicados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17

2.3. Figura parche con esquinas modicadas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18

2.4. Figura parche ranura diagonal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18

2.5. Figura parche alimentación dos puertos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18

4.1. Estructura antena rectangular, circular y en anillo con parche de alimentación . . . . . . . 21

4.2. distribución de los materiales diseño antena con un gran ancho de banda . . . . . . . . . . 22

4.3. Condiciones de contorno para plano de masa y el sustrato sean innitos . . . . . . . . . . 23

4.4. Dibujo del primer diseño . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23

4.5. Gráca parámetro S11 primer diseño . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23

4.6. Nueva estructura de la antena . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24

4.7. Primer parche con borde modicado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25

4.8. Gráca parámetro S11 del primer parche con borde modicado . . . . . . . . . . . . . . . 25

4.9. Gráca razón axial del primer parche con borde modicado . . . . . . . . . . . . . . . . . 25

4.10. Segundo parche con borde modicado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26

4.11. Gráca parámetro S11 del segundo parche con borde modicado . . . . . . . . . . . . . . 27

4.12. Gráca Razon axial del segundo parche con borde modicado . . . . . . . . . . . . . . . . 27

4.13. Primer parche con esquina modicado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28

4.14. Parámetro S11 Primer parche con esquina modicado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28

4

ÍNDICE DE FIGURAS 5

4.15. razón axial primer parche con esquina modicado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29

4.16. Segundo parche con esquina modicado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29

4.17. Parámetro S11 segundo parche con esquina modicado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30

4.18. razón axial segundo parche con esquina modicado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30

4.19. Tercer parche con esquina modicado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30

4.20. Parámetro S11 tercer parche con esquina modicado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31

4.21. razón axial tercer parche con esquina modicado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31

4.22. Parche con ranura diagonal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32

4.23. Parámetro S11 parche con ranura diagonal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33

4.24. razón axial parche con ranura diagonal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33

4.25. Parche con alimentación de dos puertos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33

4.26. Parámetro S11 parche con alimentación de dos puertos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34

4.27. razón axial parche con alimentación de dos puertos desfasadas 90 grados . . . . . . . . . . 34

4.28. razón axial parche con alimentación de dos puertos desfasadas 90 grados . . . . . . . . . . 35

4.29. Primera optimización tercer parche con esquina modicado . . . . . . . . . . . . . . . . . 36

4.30. Parámetro S11 primera optimización tercer parche con esquina modicado . . . . . . . . . 36

4.31. razón axial a diversas frecuencias primera optimización . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37

4.32. Diagrama de radiación en 3D primera optimización tercer parche con esquina modicado2,31 Ghz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37

4.33. Coordenadas Eθ y Eφ en plano XZ y plano YZ a 2,31 Ghz primera optimización . . . . . 38

4.34. BW de la razón axial en la primera optimización . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38

4.35. Segunda optimización tercer parche con esquina modicado . . . . . . . . . . . . . . . . . 39

4.36. Parámetro S11 segunda optimización tercer parche con esquina modicado . . . . . . . . . 40

4.37. razón axial a diversas frecuencias segunda optimización . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40

4.38. Diagrama de radiación en 3D segunda optimización tercer parche con esquina modicado2,3 Ghz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41

4.39. Coordenadas Eθ y Eφ en plano XZ y plano YZ a 2,3 Ghz segunda optimización . . . . . 41

4.40. BW de la razón axial en la segunda optimización . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42

4.41. Última optimización tercer parche con esquina modicado . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42

4.42. Parámetro S11 última optimización tercer parche con esquina modicado . . . . . . . . . . 43

4.43. razón axial a diversas frecuencias última optimización . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44

4.44. Diagrama de radiación en 3D última optimización tercer parche con esquina modicado2,45 Ghz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44

4.45. Coordenadas Eθ y Eφ en plano XZ y plano YZ a 2,45 Ghz última optimización . . . . . . 45

4.46. BW de la razón axial en la ultima optimización . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45

5.1. Frontal diseño enviado a construir . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47

5.2. Trasera diseño enviado a construir . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47

5.3. Frontal diseño construido . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48

5.4. Trasera diseño construido . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48

5.5. Adaptación obtenida en el laboratorio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49

Índice de tablas

3.1. Especicaciones de la antena de parche . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19

4.1. Dimensiones primer diseño antena de parche . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22

4.2. Medidas primer primer parche con borde modicado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26

4.3. Medidas segundo parche con borde modicado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27

4.4. Dimensiones primer parche con borde modicado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28

4.5. Dimensiones segundo parche con borde modicado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29

4.6. Dimensiones tercer parche con borde modicado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31

4.7. Dimensiones primer parche con ranura diagonal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32

4.8. Dimensiones parche con alimentación de dos puertos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34

4.9. Dimensiones primera optimización tercer parche con borde modicado . . . . . . . . . . . 36

4.10. Dimensiones segunda optimización tercer parche con borde modicado . . . . . . . . . . . 39

4.11. Dimensiones última optimización tercer parche con borde modicado . . . . . . . . . . . . 43

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Agradeciminetos

Me gustaría dedicar este trabajo a toda esa gente que me ha acompañado durante esta etapa de mi vidaen la universidad: Vulok, Tini, Guille, Suso, Mery, Peter, Crespo, Chusadas, Espi, Oli, Vico, Giorgio,Gorgas, Canario, Alfonso, Javiño, Guti, Charly y demás gente que he conocido a lo largo de estos años yhe tenido el placer de compartir buenos y malos momentos dentro y fuera de los muros de la universidad.½Gracias a vosotros por hacer esto mucho menos duro y ayudarme en todo momento!

Agradecer también al apoyo de mi familia y amigos que han estado apoyándome en todo momento ydándome ánimos en los momentos mas duros: Daviz, Polako, Fonsi, Pepe, Maki, Gamu, Cesar, Perche,½va por vosotros gentuza!

Por último y no menos importante mostrarle mi mas sincero agradecimiento a mi tutor José Luis VázquezRoy por todo el apoyo y ayuda recibido durante la realización de este proyecto, gracias por tu pacienciay dedicación.

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Capítulo 1

Introducción a las antenas de parche

1.1. Ventajas y desventajas

Las antenas tipo parche o también conocidas como antenas microstrip, ya que se basan en dicha tecnología.Su uso tiene un gran auge para aplicaciones en las que el tamaño reducido es importante por ejemplo:aeronáutica, aviación, satélites, aplicaciones en misiles, dispositivos móviles, comunicaciones inalámbricasen general, y para frecuencias elevadas principalmente en los rangos de microondas y ondas milimétricas[1]

Las ventajas que este tipo de antenas nos ofrecen son: tendencia a la miniaturización al lograr dispositivoscada vez más pequeños y con componentes ligeros[2], fáciles de integrar tanto a supercies planas como noplanas, sencillas, de fácil producción en masa (por lo que los costos pueden ser muy reducidos), fáciles deadaptar con circuitos integrados de microondas, versátiles en términos de impedancia, patrón, polarizacióny frecuencia de resonancia.

Las principales desventajas de este tipo de antenas que se pueden citar son: baja potencia de radiación(por su estructura no se pueden soportar altas potencias en los componentes de una antena microstrip),baja eciencia, ancho de banda reducido , considerables pérdidas y son fácilmente afectadas por el factortérmico (sobre todo si se trabaja sobre substratos exibles).

La ventaja que la mayoría de los problemas descritos anteriormente se podrían solventar con la selecciónde unos buenos materiales así como un diseño adecuados como la eciencia baja a alta frecuencia.

1.2. Origen

La tecnología microstrip en la cual se basan las antenas tipo parche es el resultado de una evolución queestuvo regida bajo el principio de realizar diseños de dimensiones reducidas tanto en antenas como enlíneas de transmisión que pudieran ser fácilmente acoplados a cualquier dispositivo así como diseñar unalinea de transmisión plana basada en una tecnología impresa sencilla de fabricar.

Los antecedentes de los circuitos microstrip se remontan a los años 50 donde los primeros circuitos impresospara microondas. Para el diseño de estos circuitos se uso la tecnología striplines. Una stripline estáconstituida por una tira delgada conductora en un dieléctrico, el cual posee dos capas metalizadas en elexterior (en la parte superior e inferior del dieléctrico). Tanto la placa superior de la estructura como lainferior tienen el mismo potencial (tierra). Por su arreglo balanceado las striplines connan la mayor partede los campos (de forma TEM) dentro del dieléctrico. A partir de las striplines se empezó a utilizar unanueva forma de circuitería de microondas y sus principales aplicaciones de la stripline son los circuitospasivos.

Las líneas de microstrip aparecieron publicadas por primera vez en 1952, muy cerca de la aparición delas striplines (1951). La diferencia en el nuevo modelo (microstrip) fue que se retiró la parte superior delsubstrato dejando la línea conductora en el exterior. A pesar de la cercanía de las fechas, la tecnología

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CAPÍTULO 1. INTRODUCCIÓN A LAS ANTENAS DE PARCHE 9

microstrip tardó más en ganar auge ya que estas estructuras al ser muy abiertas tienen amplias pérdidaspor radiación y en particular cuando son utilizadas en substratos de baja permitividad como los quese tenían en aquellos días. Conforme la tecnología fue avanzando y se fueron fabricando substratos demenores pérdidas, el uso de las líneas de microstrip fue aumentando ampliamente [7]

1.3. Características

Las antenas tipo parche están basadas en la tecnología microstrip y sus características se describen acontinuación. Vamos a centrarnos en las antenas de parche del tipo rectangular que serán en las que noscentraremos en el proyecto, los diferentes tipos de antenas de parche dependerán del diseño del parcheque tengan. Las antenas tipo parche poseen una tira conductora de largo L, ancho W y grosor t. La tiraconductora se encuentra situada en la parte superior de un substrato dieléctrico, el cual tiene un anchoh. En la parte inferior del substrato dieléctrico se tiene un plano referenciado a tierra.[1][2]

La siguiente gura es un ejemplo de antena de parche rectangular:

Figura 1.1: Estructura antena microstrip

1.3.1. Tipos de alimentación

Uno de los aspecto a tener en cuenta cuando se diseña una antena consiste es el esquema de alimenta-ción que tendrá ésta, puesto que sin una estructura eciente de alimentación las antenas no funcionaráncorrectamente. Existen diferentes métodos para alimentar una antena de forma que radie lo más eciente-mente posible en las frecuencias deseadas mediante un correcto acoplamiento de impedancias. A pesar deexistir muchos métodos para alimentar una antena, éstos se pueden condensar en 3 categorías principales:alimentación directa, alimentación por proximidad y alimentación por apertura [2]

1. Alimentación directa Este tipo de alimentación requiere de un contacto directo entre la estructurade alimentación y la antena radiante. Los dos principales métodos de alimentación en esta categoríason: alimentación por línea de transmisión (línea microstrip) y alimentación por conector coaxial.[7]

- Alimentación por línea de transmisión

Este método consiste en alimentar al parche rectangular conectándole directamente la líneade transmisión (diseñada para tener la impedancia característica deseada). Existen dos formasdel método por línea de transmisión, conectando la línea de transmisión directamente en unborde del parche y conectando la línea de transmisión en un borde con inserciones en el parche.El acoplamiento de impedancia se puede modicar en las dos formas de alimentación con


microstrip, en el caso de la conexión directa variando la posición al borde del parche generaráun mayor o mejor acoplamiento de impedancia y en el caso de la alimentación con línea detransmisión por medio de inserciones, la profundidad de la inserción establece según lo deseadoel acoplamiento de impedancia[2]. En la siguiente gura se muestran los dos tipos mencionadosanteriormente e la gura.1.2

Figura 1.2: Alimentación por línea de transmisión: a) Conexión directa y b)conexión con inserciones.

- Alimentación por conector coaxial

Este método consiste en hacer que el conductor central del cable coaxial del cable coaxial hagacontacto directamente al parche rectangular, mientras que la parte el conductor exterior deéste se conecte al plano de tierra de la antena microstrip, esta conexión directa se realiza porla parte inferior de la antena, es decir, en el plano de tierra. El acoplamiento de impedanciadepende de la posición de la sonda coaxial en relación con el parche de tal forma que colocándolacorrectamente generará un mejor acoplamiento.[2] En la siguiente gura se puede ver un ejemplosacado de la referencia [1]:

Figura 1.3: Alimentación por sonda de cable coaxial

2. Alimentación por proximidad

En estos métodos la alimentación no tiene contacto directo con el parche si no que el acoplamiento


es electromagnético. En éste método se tiene al parche sobre un substrato dieléctrico y en la parteinferior de ésta estructura se tiene una línea de alimentación sobre de otro substrato dieléctricocon un plano tierra. Éste método tiene la ventaja que el radiador así como la estructura de ali-mentación pueden optimizarse por separado cuando se utilizan dos capas de substratos dieléctricos:un substrato dieléctrico para obtener las mejores características del parche (substratos más anchoscon permitividades eléctricas bajas) y de la alimentación (substratos delgados y con permitividadeseléctricas altas)[2].La siguiente gura muestra un ejemplo sacado de la referencia [1]:

Figura 1.4: Alimentación por el método de proximidad

3. Alimentación por apertura

El método por apertura presenta similitud con el de proximidad debido a que también utiliza dossubstratos dieléctricos, uno para el radiador y otro para la alimentación de éste. La estructura deéste método es la siguiente: se tiene un radiador sobre un substrato dieléctrico y sobre un plano detierra compartido seguido de otro substrato dieléctrico (de la alimentación) y nalmente una líneade alimentación en la parte inferior de toda la estructura. El plano de tierra tiene una aperturacuyas dimensiones y posición inuyen en la impedancia y por ende en el acoplamiento de la antena.Una ventaja con respecto a la alimentación por proximidad es que en la alimentación por apertura,al estar la línea de alimentación en la parte inferior y separada de la antena por el plano de tierra,la radiación [7]. Ejemplo de alimentación por apertura

Figura 1.5: Alimentación por el método de apertura

1.3.2. Medidas

1.3.2.1. Parámetros de dispersión (Parámetros S)

Las antenas se pueden caracterizarse también como una red de dos puertos, donde uno de ellos es el puertofísico de entrada de la antena, típicamente de valor 50Ω, y el otro es un puerto físico de radiación. Los


circuitos de microondas se pueden caracterizar de diversas maneras, tales como matrices de impedancia Z,matrices admitancia Y , entre otras. Estos parámetros, que relacionan magnitudes de tensión y corriente, seobtienen considerando circuitos abiertos o cortocircuitos en sus puertos. Este hecho es difícil de conseguira altas frecuencias. Por ello se suelen utilizar los parámetros de dispersión o parámetros S, que sirven acualquier frecuencia ya que no necesitan ningún tipo de consideración adicional. Simplemente se basanen los niveles de potencia que se perciben en los terminales de los dos puertos según unas nuevas ondasde tensión incidente ai y reejada bi normalizadas. Las ondas incidentes se dirigen en dirección entranteal circuito y las reejadas, por el contrario, en dirección saliente al circuito tal y como se observa en lasiguiente gura:

Figura 1.6: Red de dos puertos

En el caso de un circuito de 2 puertas existen cuatro parámetros S y la relación entre sus ondas incidentesy reejadas vendrán denidas por estas dos ecuaciones:

b1 =s11a1 + s12a2 (1.1)

b2 =s21a1 + s22a2 (1.2)

Para calcular el parámetro de dispersión sji es necesario que todos los accesos de la red se carguen con susrespectivas impedancias características a excepción del puerto i-ésimo en el que se colocará un generadorque produzca una onda incidente ai

En la siguiente gura se puede ver el signicado de cada parámentros s en una red de dos puertos:

Figura 1.7: Tabla signicado parámetros S en red de dos puertos

1.3.2.2. Diagrama de Radiación

El diagrama de radiación de una antena se dene como la representación gráca de las propiedades deradiación de la antena en función de las coordenadas espaciales. El diagrama de radiación se dene enregiones de campo lejano. Se considera campo lejano a la distribución del campo angular que no dependede la distancia de la antena. Se considera campo lejano a distancias de la antena superiores a 2D2/λ,siendo D la dimensión máxima de la antena y λ la longitud de onda de funcionamiento de la misma.

El diagrama de radiación se puede representar en 3D utilizando diferentes técnicas grácas o mediantecortes en planos. El sistema de referencia más utilizado para la representación del diagrama de radiación


es el sistema de coordenadas esféricas, denido por tres magnitudes: el radio r, el ángulo polar o colatitudθ y el azimut φ.

Figura 1.8: Sistema de coordenadas esféricas

En lo que se reere a representación 2D, se utilizan coordenadas polares y cartesianas. En las polaresel espacio se representa como una circunferencia y el modo en que las ondas se disipan en el entornoestá representado en grados. Ofrecen una información más clara de la distribución de la potencia endiferentes puntos del espacio. En las coordenadas cartesianas o rectangulares, en el eje de abscisas quedarepresentada la variable angular.

Figura 1.9: Sistema de coordenadas esféricas en 2D

Los parámetros más importantes del diagrama de radiación son los siguientes:

- Dirección de apuntamiento: Es la dirección de máxima radiación.

- Lóbulo principal: Es el margen angular en torno a la dirección de máxima radiación. Dene ladirección de máximo apuntamiento.

- Lóbulos secundarios: Son los dos máximos relativos que rodean al principal y que tienen una amplitudmenor.

- Anchura de haz a -3 dB: Es la separación angular de direcciones en las que el diagrama de radiaciónde un haz toma el valor de la mitad del máximo. Es muy útil para determinar visualmente ladirectividad de una antena

- Relación de lóbulo principal a secundario (SLL): Es el cociente en dB entre el valor máximo dellóbulo principal y el valor máximo del lóbulo secundario


1.3.2.3. Polarización

Como ya se sabe, una antena emite o recibe ondas electromagnéticas. Por tanto, en cada punto del espacioexiste un vector de campo eléctrico que depende tanto de la posición como del tiempo. La polarizaciónde una antena en una dirección determinada es la variación temporal del campo radiado en esa mismadirección. Esa variación de dirección del campo y su sentido de giro traza una gura vista desde la antenaque es la que dene el tipo de polarización. Es lo que se llama, para el caso general, elipse de polarización.

Figura 1.10: Elipse de polarización

Aunque normalmente la polarización tenga la forma de una elipse, se pueden dar algunos casos particu-lares:

- Polarización lineal: Si la gura trazada en el tiempo es un segmento entonces la polarización serálineal. Además, esta puede ser tanto vertical como horizontal.

Figura 1.11: Ejemplo polarización lineal

- Polarización circular: Esta situación se dará si el campo traza una circunferencia cuando se des-plaza en el tiempo. Este fenómeno se da cuando las componentes tienen igual amplitud y están encuadratura de fase. Puede circular a derechas o a izquierdas dependiendo del sentido de giro.

Figura 1.12: Ejemplo polarización circular

Para conocer el tipo de polarización que tenemos bajo estudio se dene un parámetro denominado RazónAxial o Axial Ratio (AR) como el cociente entre el eje mayor y el eje menor de la elipse de polarización,es decir, AR = M/N .


De esta manera, el AR será un valor comprendido entre 1 ≤ AR ≤ ∞ donde:

- Si AR =∞ : Polarización lineal

- Si AR = 1 : Polarización circular

1.3.2.4. Ancho de Banda (BW)

Debido a la geometría nita de las antenas, estas están limitadas a funcionar en un rango de frecuenciasdelimitado. Es decir, el ancho de banda es aquel rango de frecuencias en el que la antena se comporta conunas determinadas características. Este parámetro se puede presentar como el cociente de las frecuenciasentre las que opera o en forma de porcentaje:

BW =fmax − fmin

f0∗ 100 (1.3)

donde fmax y fmin son las frecuencias máxima y mínima que delimitan el ancho de banda y f0 es lafrecuencia central.

Capítulo 2

Antenas de parche con polarización circular

Debido a las características de polarización circular, las antenas con polarización circular tienen variasventajas importantes en comparación con las antenas que utilizan polarizaciones lineales por lo que se estánconvirtiendo en una tecnología clave para varios sistemas inalámbricos, incluyendo las comunicaciones porsatélite, comunicaciones móviles, sistemas de navegación por satélite (GNSS), sensores inalámbricos, radioidenticación de frecuencia (RFID), la transmisión de energía inalámbrica, redes de área local inalámbricas(WLAN), redes de área personal inalámbricas (WPAN), sistemas de recepción de televisión en el mundo,Interoperabilidad para Microwave Acceso (WiMAX) y Direct Broadcasting Service (DBS).

Las antenas con polarización circular son muy ecaces en la lucha contra las interferencias multi-trayectoo desvanecimiento . La señal de radio reejada desde el suelo u otros objetos se traduce en una inversión depolarización, es decir, las reexiones de la polarización circular derecha muestran la polarización circularizquierda. Una antena con polarización a derechas tendrá un rechazo de una señal reejada con polarizacióna izquierdas, reduciendo así las interferencias multi-trayecto desde las señales reejadas. La segundaventaja es que la antena con polarización circular es capaz de reducir el efecto de rotación de Faradaydebido a la ionosfera. El efecto de la rotación de Faraday provoca una pérdida de señal signicativa(aproximadamente 3 dB o más) si se emplean señales polarizadas linealmente. La antena con polarizacióncircular es inmune a este problema, por lo tanto la antena con polarización circular es ampliamenteutilizada para aplicaciones de telemetría espacial de satélites, sondas espaciales y misiles balísticos paratransmitir o recibir señales de que han sido objeto de rotación de Faraday viajando a través de la ionosfera.Otra ventaja de utilizar antenas con polarización circular es que no se requiere la orientación estricta entreantenas transmisoras y receptoras. Esto es diferente a las antenas polarizadas lineal que están sujetas apérdidas por desajuste de polarización y se produce una desalineación de la polarización entre antenastransmisora y receptora. Esto es útil para comunicaciones móviles por satélite donde es difícil mantenerorientación constante de la antena. Con la polarización circular, la fuerza de las señales recibidas esbastante constante, independientemente de la orientación de la antena. Estas ventajas hacen que lasantenas con polarización circular sean muy atractivas para muchos sistemas inalámbricos [4].

Los parches alimentados por los esquemas que hemos presentado en apartado 1.3.1 tienen polarizaciónlineal (corresponde a un modo TM10 en la cavidad del parche). Para conseguir la polarización circular, esnecesario, o bien, excitar simultáneamente el TM01 en el mismo parche con otro puerto (con un desfase+90 o -90 según el sentido de giro de la polarización) o mediante una modicación de la metalización(perturbación). En este segundo caso, con un único puerto, conseguimos excitar el otro modo gracias a laperturbación.

A continuación vamos a describir estas dos maneras de conseguir la polarización circular según la alimen-tación de al antena mediante un puerto o dos puertos. Estos diseños serán en los que nos basaremos paraconstruir la antena.

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CAPÍTULO 2. ANTENAS DE PARCHE CON POLARIZACIÓN CIRCULAR 17

2.1. Alimentación con un solo puerto

El el apartado de alimentación con un solo puerto descrito en la referencia [5], las dimensiones de laantena microstrip son modicadas de manera que las frecuencias de resonancia f1 y f2 de los dos modosortogonales se cierran cada una sobre otro tal como se aprecia en la siguiente gura:

Figura 2.1: Variación de los dos modos ortogonales con un solo puerto de alimentación

La antena se excita a una frecuencia f0 entre las frecuencias de resonancia de estos dos modos, de maneraque la magnitud de los dos modos excitados es igual. También, se selecciona la posición del puerto dealimentación de tal manera que excita los dos modos ortogonales con diferencia de fase de +45 y -45

con respecto al punto de alimentación, lo que resulta en cuadratura de fase entre los dos modos.

Para un sustrato más grueso con una constante dieléctrica baja, el BW de la MSA es grande, y porlo tanto la separación mayor entre f1 y f2 como se puede aprecia en la gura 2.1 b. Sin embargo, lamagnitud de los dos modos ortogonales sean igual sólo a f0, y por tanto la ancho de banda en razón axiales generalmente limitada para estas antenas microstrip de un solo puerto.

A continuación veremos las diversas modicaciones del parche descritas en la referencia [5]

2.1.1. Parche con bordes modicados

En lugar de utilizar un antena microstrip casi cuadrada para generar una polarización circular, los bordesdel parche se pueden modicar mediante la adición de trozos o cortando muescas como se muestra en laFigura2.2 Mediante la adición de un único trozo o cortando una muesca, también se podría obtener lapolarización circular, pero entonces la conguración no seria simétrica. Sin embargo, siempre y cuando lasáreas ecaces totales de estas perturbaciones son del mismo orden, el rendimiento de un borde modicadoes similar al de dos bordes modicados. Nosotros nos centraremos en el estudio de la sustracción o añadidode un trozo del parche. Las dimensiones de las muescas son las que nos darán un mejor resultado respectoa la razón axial.

Figura 2.2: Figura parche con bordes modicados

CAPÍTULO 2. ANTENAS DE PARCHE CON POLARIZACIÓN CIRCULAR 18

2.1.2. Parche con esquinas modicados

Otra de las maneras de conseguir que las antenas de parche radien con polarización circular es modicandolas esquina del parche. Los tipos de diseños que vamos a estudiar son los siguientes:

Figura 2.3: Figura parche con esquinas modicadas

La polarización circular en este tipo de diseños se obtiene debido a que cortando dos esquinas diagonal-mente opuestas hace que la frecuencia de resonancia del modo a lo largo de esta diagonal sea mayor quepara el modo a lo largo de la diagonal sin cortar.

2.1.3. Parche con ranura diagonal

El otro diseño que nos proponen en la referencia [5] es el siguiente:

Figura 2.4: Figura parche ranura diagonal

Este diseño se basa en la eliminación de un trozo dele en la diagonal. Esto permite que la diferencia enlas frecuencias de resonancia de los modos ortogonales este causada por la ranura rectangular, que haceque las longitudes de trayectoria de las dos diagonales desigual.

2.2. Alimentación con dos puertos

La otra manera de conseguir la polarización circular que nos describe la referencia [5] es mediante laexcitación de la antena por dos puertos con modos ortogonales entre (uno TM01 y otro TM10), que cuyaamplitud sea igual y el desfase entre ellas sea de +90 o -90 grados.

El diseño planteado en el libro seria:

Figura 2.5: Figura parche alimentación dos puertos

Capítulo 3

Objetivos del proyecto

En este proyecto se diseñara una antena de parche de bajo coste la cuya característica principal sea unaancho de banda de adaptación a -10 db del 20% y simultáneamente el mayor ancho de banda en larazón axial para conseguir una polarización circular. Queremos que la frecuencia de trabajo este centradaen 2,4 Ghz. La elección de este tipo de diseño se debe a que no hay muchas antenas con este tipo decaracterísticas, si que existen diseños de antenas de parche con un gran ancho de banda y otras conpolarización circular individualmente pero lo que pretendemos es unir estas características y conseguiruna antena que las mantenga conjuntamente que es donde reside la complejidad del proyecto.

3.1. Denición de especicaciones.

En la siguiente tabla mostramos las características de partida con las que queremos diseñar la antena:

Tipo de antena Antena de parcheMateriales Fibra de vidrio, espuma y cobre

Frecuenciade trabajo 2400 MHzancho de banda 20% (480 Mhz)Polarización CircularRazón Axial 5 db de máximo

Tabla 3.1: Especicaciones de la antena de parche

La antena sera una antena multicapa compuesta por una capa de espuma simulando el vacío, una capade bra de vidrio y el correspondiente plano de masa.

Los procedimientos que seguiremos para llegar a la realización del proyecto sera partir de un diseño de unaantena con un ancho de banda en adaptación grande y polarización lineal, como el citado en la referencia[6]. Primero adaptaremos la antena a la frecuencia deseada mediante la modicación de las medidas delparche y puerto de alimentación.

Los siguientes diseños se centraran en conseguir que la antena radie con una polarización circular, para ellonos basaremos en los diseños mencionados en la referencia [5]. Estas antenas son todas con alimentaciónde un solo puerto, otro diseño que analizaremos para conseguir la polarización circular sera la alimentaciónde una antena mediante dos puertos cuyas señales estén desfasas 90 grados. La diferencia de las antenasdescritas en la referencia [5] y la que pretendemos diseñar nosotros es que en las citadas en el articulotiene el puerto conectado directamente al parche (concretamente ene la diagonal del parche), mientras quenosotros para conseguir que la antena tenga un buen ancho de banda es que el puerto no este conectado alparche directamente sino a un parche de alimentación muy cercano al parche como vemos en la referencia[6].

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CAPÍTULO 3. OBJETIVOS DEL PROYECTO 20

Para la realización de este proyecto usaremos como herramienta el programa de simulación CST MI-CROWAVE STUDIO [3], programa especico para diseño y simulación de antenas. Vamos a emplear laherramienta para hacer análisis en el dominio del tiempo. Los datos que analizaremos en estos diseñossera el parámetro de reexión en el puerto 1 (S11), es decir, las perdidas de retorno. Para calcular elancho de banda en adaptación, nos jaremos cual es ancho de bando que este por debajo de los -10 db.Buscaremos que este lo mas centrado a la a frecuencia 2,4 Ghz.

El otro dato a analizar es el parámetro de la razón axial en campo lejano para comprobar la polarizacióncircular. La razón axial cuanto mas próximo este de 0 db obtendremos una polarización mas cercana ala circular. Nosotros para empezar pondremos como tope un valor de 5 db. En las primeras simulacionescontaremos con materiales sin perdidas y una vez que alcancemos los resultados deseados introduciremosel parámetro de perdidas para que las simulaciones sed parezcan lo mas posible a la realidad.

La alimentación de la antena en la primeras simulaciones contara con un puerto discreto que cambiaremosen las últimas simulaciones por una guía onda que sera lo usaremos en la fabricación de la antena. Para lacontribución de la antena contaremos con la ayuda del taller de la Ocina Técnica de la Escuela PolitécnicaSuperior de la Universidad Carlos III de Madrid. Una vez construida haremos una serie de pruebas en loslaboratorios de la Universidad Carlos III de Madrid para comparar los datos obtenidos en las simulacionesy los obtenidos con la antena.

Los siguientes capítulos describiremos todos los pasos y análisis realizados para llegar a conseguir losobjetivos marcados. En el capitulo 4 describiremos las diversas simulaciones que hemos llevada a cabo paraalcanzar el diseño denitivo. Partiremos del diseño de una antena con un ancho de banda en adaptacióngrande pero polarización lineal, este diseño nos permitirá coger soltura con el programa empleado para elanálisis. Las siguientes simulaciones se centraran en los diseños descritos en el capítulo2 para conseguir lapolarización circular. Por ultimo procederemos a optimizar el diseño elegido para obtener unos resultadoslo mas parecidos a los marcados. En el capitulo 5 mostraremos el diseño construido así como los resultadosobtenidos en el laboratorio para poder compararlos con los obtenidos en las simulaciones y elaborar unaserie de conclusiones y futuras lineas de investigación.

Capítulo 4

Diseños realizados

4.1. Primer diseño realizado: Antena con un gran ancho de banda

El primer diseño que realizamos en un diseño es un diseño de antena de parche con un alto ancho debanda ya que unas de los principales inconvenientes de las antenas de parche es el reducido ancho debanda. Una de las formas de resolver este tipo de problemas es aumentar el grosor de los sustratos, peroesto nos introducir una desadaptación de impedancias. Para solventar este problema decidimos introducirun pequeño parche de alimentación en el mismo plano que esta el parche de acuerdo con lo que se cita enla referencia.[6] Este primer diseño tiene una polarización lineal, el los diseños sucesivos nos centraremosen conseguir la polarización lineal median la introducción de otro puerto de alimentación y desfasar lasseñales 90 grados o modicar la forma del parche. Para el diseño que vamos a realizar ahora valdría unparche rectangular, circular o en anillo, hemos optado por el rectangular ya que nos supondrá mas fácilmodicarlo para obtener en el futuro la polarización circular.

Figura 4.1: Estructura antena rectangular, circular y en anillo con parche de alimentación

La distribución de los distintos materiales para esta simulación es la siguiente:

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CAPÍTULO 4. DISEÑOS REALIZADOS 22

Figura 4.2: distribución de los materiales diseño antena con un gran ancho de banda

Desde arriba hacia abajo distinguimos los siguientes materiales representados en diferentes colores:

- Fibra de vidrio en amarillo

- espuma en blanco

- Conductor eléctrico perfecto (PEC) en gris

Las características de los materiales que usaremos este diseño:

- Para la bra de vidrio usaremos la capa FR-4, bra de vidrio con una permitividad eléctrica deε = 4.3

- Para simular el vacío usaremos espuma.

- Usaremos un conductor eléctrico perfecto (PEC) para el plano de masa y el parche.

Las medidas que hemos introducido para la primera simulación son las siguientes, manteniendo la nomen-clatura de la gura 4.1

L, W 51 mmPlano de masa 150x150 mm

l 10 mmw 5 mmd 8 mmdp 0,9 mmh 15 mmt 1,6 mm

Altura parche 0,05 mm

Tabla 4.1: Dimensiones primer diseño antena de parche

Para esta simulación pondremos las condiciones de contorno todas en 'open' menos la de Z que estará en'open+add space' con esto conseguimos que el plano de masa y el sustrato sean innitos. Este tipo deconguración en las condiciones de contorno son de tipo absorbentes que simulan lo que tendríamos enuna cámara anecoica. Podemos observar las características en la gura 4.3


Figura 4.3: Condiciones de contorno para plano de masa y el sustrato sean innitos

El tipo de excitación en esta simulación sera un puerto discreto de 50Ω, que nos proporcionara......

Figura 4.4: Dibujo del primer diseño

En la gura 4.5 podemos ver el ancho de banda en adaptación, se pueden ver las marcas de los puntoslimites a -10 db y los frecuencia a la que se obtiene mayor adaptación:

Figura 4.5: Gráca parámetro S11 primer diseño

Como podemos ver el ancho de banda en adaptación a -10 db para este tipo de antena es:

BW = (2, 0946Ghz − 1, 5823Ghz)/1, 7Ghz = 0, 3013 = 30 %


Observamos que con este diseño de alimentación conseguimos un buen ancho de banda. El los siguien-tes trabajos nos centraremos en obtener la polarización circular ya que con este tipo de alimentaciónconseguimos el objetivo del ancho de banda en adaptación.

4.2. Segundo diseño: Antenas con polarización circular

Como mencionamos anteriormente en el capítulo 2 existen diversas formas de conseguir la polarizacióncircular en las antenas de parche. Un de las maneras descritas en el capítulo 2 es mediante la modicaciónde la supercie del parche y con un único puerto de alimentación en la supercie del parche. La otraforma de conseguir una polarización circular que describimos es la de alimentar la la antena mediante dospuertos cuyas señales estén desfasadas 90 grados. Empezaremos con el análisis de los distintos diseños dela alimentación con un solo puerto.

4.2.1. Polarización circular con alimentación de un puerto

El objetivo de estos diseños es llegar a uno que tenga una adaptación a 2,4 Ghz con un ancho de bandadel 20% a -10 db y también que dentro del ancho de banda de adaptación consigamos el máximo ancho debanda con una polarización circular, es decir, que la razón axial este lo mas cercano a 0 db (consideraremoscomo tope 5 db) como lo mencionamos en el capítulo 3. Para este tipo de simulaciones mantendremos lasmedidas del plano de masa, así como las del sustrato del vacío. La estructura de la antena sufrirá unapequeña modicación con respecto a mencionada en el apartado 4.1, añadiremos una capa mas de FR-4,es decir, el diseño quedaría (desde el plano de masa hacia arriba):

- plano de masa

- primera capa FR-4 de altura 1,5mm

- Vacío

- segunda capa FR-4 de altura 0,5mm

- parche

El en siguiente dibujo podemos observarlo con color amarillo la capa FR-4, con color azul el vacío y colorgris el plano de masa:

Figura 4.6: Nueva estructura de la antena

4.2.1.1. Parches con bordes modicados

Empezamos analizando un diseño de antena con los bordes modicados. El primero de ellos consta dequitar dos pequeños trozos a mitad altura del parche.


Figura 4.7: Primer parche con borde modicado

Los parámetros que hemos estado modicando han sido: el largo y ancho del parche (parámetros L y Wde la gura 4.1 ), el largo y ancho del puerto de alimentación (parámetros l y w de la gura 4.1) y lasdimensiones del cuadro a eliminar en el parche (parámetros l de la gura 2.2) Tras varias simulaciones losmejores resultados obtenidos son los siguientes en adaptación son los siguientes:

Figura 4.8: Gráca parámetro S11 del primer parche con borde modicado

También vamos a mostrar la curva de la razón axial para la frecuencia central de la banda en un planode radiación para comprobar la dirección broadside (perpendicular a la apertura)

Figura 4.9: Gráca razón axial del primer parche con borde modicado

Como comentamos anteriormente en el apartado4.2.1, a parte de las altura de los sustratos, las nuevas


medidas de la antena con respecto al primer parche estudiado en el apartado 4.1 han sido las siguientes.La referencia a las variables se pueden ver en la gura 4.1 y gura 2.2:

L, W 34,17 mmPlano de masa 150x150 mm

l 6,7 mmw 3,35 mmd 8 mmdp 0,9 mmh 15 mmt 1,5 mmt1 0,5 mm

Altura parche 0,05 mml 3,35 mm

Tabla 4.2: Medidas primer primer parche con borde modicado

Como se puede observar el ancho de banda en adaptación este dentro de los deseado:

BW = (3Ghz − 2, 2918Ghz)/2, 4Ghz = 0, 2950 = 29, 5 %

En cambio el problema que tenemos es que a la frecuencia 2,4 Ghz nos a sido imposible conseguir unabuena polarización circular por lo que por lo que descartamos este diseño.

El siguiente diseño que vamos a estudiar es muy parecido al otro pero en vez de quitar un trozo vamos aañadir dos trozos a mitad altura del parche de la gura 4.4:

Figura 4.10: Segundo parche con borde modicado

Los parámetros modicados son los mismos que en diseño anterior: el largo y ancho del parche (parámetrosL y W de la gura 4.1 ), el largo y ancho del puerto de alimentación (parámetros l y w de la gura 4.1)y las dimensiones del cuadro a eliminar en el parche (parámetros l de la gura 2.2) . La dimensiones delparche son las siguientes:





Tabla 4.3: Medidas segundo parche con borde modicado

Tras varias simulaciones estos son los resultados obtenidos del ancho de banda en adaptación son:

Figura 4.11: Gráca parámetro S11 del segundo parche con borde modicado

La razón axial a la frecuencia central de este diseño es:

Figura 4.12: Gráca Razon axial del segundo parche con borde modicado

Con este diseño nos pasa como con el anterior, obtenemos un buen ancho de banda:

BW = (2, 8024Ghz − 2, 1314Ghz)/2, 4Ghz = 0, 2795 = 27, 95 %

Pero la razón axial es muy mala por lo que también lo descartamos.


4.2.1.2. Parches con esquinas modicados

En este apartado vamos a estudiar tres diseños en los que se van a modicar las esquinas del parche.

Los parámetros que hemos estado modicando para los diseños de parche con esquina modicados hansido: el largo y ancho del parche (parámetros L y W de la gura 4.1 ), el largo y ancho del puerto dealimentación (parámetros l y w de la gura 4.1) y las dimensiones del la sección a eliminar o añadir en elparche (parámetros l de la gura 2.3)

El primer diseño se le va a eliminar una pequeña parte de las esquinas en forma triangular:

Figura 4.13: Primer parche con esquina modicado

Tras realizar una serie de prueba las dimensiones obtenidas para este diseño son las siguientes:




Tabla 4.4: Dimensiones primer parche con borde modicado

Los mejores resultados que obtuve con respecto al ancho de banda en adaptación fueron los siguientes:

Figura 4.14: Parámetro S11 Primer parche con esquina modicado


Los resultados de la razón axial a la frecuencia central:

Figura 4.15: razón axial primer parche con esquina modicado

Observamos que el ancho de banda esta dentro de los objetivos marcados:

BW = (2, 7875Ghz − 2, 1413Ghz)/2, 4Ghz = 0, 2692 = 26, 92 %

Pero la razón axial no esta dentro de los valores especicados. En este diseño la razón axial aumentaconforme aumentamos el corte de las esquinas (parámetro l) hasta tal punto que el diseño ya pierde suforma de antena. Por lo que descartaremos este diseño por el momento.

El siguiente diseño que vamos a analizar vamos a proceder a eliminar un trozo de las esquina en formarectangular:

Figura 4.16: Segundo parche con esquina modicado

Las dimensiones del parche resultante tras una serie de simulaciones son:


l 22 mmw 5 mmd 8 mmdp 0,9 mmh 15 mmt 1,5 mmt1 0,5 mm

Altura parche 0,05 mml 25 mm

Tabla 4.5: Dimensiones segundo parche con borde modicado


Los mejores resultados de las pruebas realizadas para el ancho de banda en adaptación:

Figura 4.17: Parámetro S11 segundo parche con esquina modicado

Figura 4.18: razón axial segundo parche con esquina modicado

Observamos que el ancho de banda para este diseño es bueno:

BW = (2, 4905Ghz − 1, 922Ghz)/2, 4Ghz = 0, 2368 = 23, 68 %

Pero el problema lo tenemos con la razón axial ya que supera los objetivos marcados.

El tercer parche con las esquina modicadas se basa en añadir unos trozos rectangulares en las esquinas:

Figura 4.19: Tercer parche con esquina modicado

Las dimensiones del parche de la gura anterior con las que obtenemos los mejores resultados son:




Altura parche 0,05 mml mayor 16,125 mml menor 5,16 mm

Tabla 4.6: Dimensiones tercer parche con borde modicado

Los resultados del ancho de banda en adaptación:

Figura 4.20: Parámetro S11 tercer parche con esquina modicado

La la razón axial a la frecuencia central:

Figura 4.21: razón axial tercer parche con esquina modicado

El ancho de banda obtenido es el siguiente.

BW = (2, 6096Ghz − 1, 2017Ghz)/2, 4Ghz = 0, 1699 = 16, 99 %

El ancho de banda de este diseño no se cumple por muy poco así como la razón axial esta casi en losprimero objetivos que nos hemos marcado.


4.2.1.3. Parche con ranura diagonal

Otra de las maneras de que la antena radie con una polarización circular es introducir una ranura en ladiagonal del parche. En este caso modicaremos los mismos parámetros que hemos estado modicandopara los diseños anteriores: el largo y ancho del parche (parámetros L y W de la gura 4.1 ), el largoy ancho del puerto de alimentación (parámetros l y w de la gura 4.1) y las dimensiones de la ranuradiagonal (parámetros l y w de la gura 2.4)

El diseño resultante tras diversas pruebas:

Figura 4.22: Parche con ranura diagonal

Las dimensiones de la gura anterior:



Altura parche 0,05 mml ranura 1,72 mmw ranura 34,4 mm

Tabla 4.7: Dimensiones primer parche con ranura diagonal

Los resultados del ancho de banda de adaptación para este diseño:


Figura 4.23: Parámetro S11 parche con ranura diagonal

Figura 4.24: razón axial parche con ranura diagonal

El ancho de banda obtenido en este caso es el siguiente:

BW = (2, 6984Ghz − 1, 9505Ghz)/2, 4Ghz = 0, 311625 = 31, 16 %

Es este caso tenemos muy buen ancho en adaptación de banda incluso mas del esperado.

El problema viene con la polarización circular a la frecuencia de la cual queremos que este adaptadanuestra antena. La razón axial que obtenemos a la frecuencia 2,4 Ghz es de 4,7 dB que esta dentro denuestros objetivos.

4.2.2. Polarización circular con alimentación de dos puertos

Otra de las maneras de obtener una polarización circular es diseñar la antena con dos puertos y excitarloscon dos señales desfasadas 90 grados entre ellas. El diseño de la antena seria el siguiente:

Figura 4.25: Parche con alimentación de dos puertos


Los parámetros que hemos modicados para conseguir este diseños son los mismos que en los diseñosanteriores: el largo y ancho del parche (parámetros L y W de la gura 4.1 ), el largo y ancho del puerto dealimentación (parámetros l y w de la gura 4.1). En este caso contamos con los puertos de alimentaciónde idénticas dimensiones. Las dimensiones de este diseño son las siguientes:



Altura parche 0,05 mm

Tabla 4.8: Dimensiones parche con alimentación de dos puertos

De esta antena obtenemos el siguiente ancho de banda en adaptación:

Figura 4.26: Parámetro S11 parche con alimentación de dos puertos

Al tener dos puertos hacemos la prueba de primero desfasar el puerto 2 y después introducir el desfaseen le puerto 1. El resultado de esto son las dos siguientes grácas de la razón axial, ambas a la fru oenciacentral:

Figura 4.27: razón axial parche con alimentación de dos puertos desfasadas 90 grados


Figura 4.28: razón axial parche con alimentación de dos puertos desfasadas 90 grados

El ancho de banda de este diseño es el siguiente:

BW = (2, 5842Ghz − 1, 9433Ghz)/2, 4Ghz = 0, 2670 = 26, 7 %

Los datos tanto del ancho de banda como de como de la razón axial están dentro de los rangos deseadosy marcados en los objetivos. El punto negativo de este diseño es la necesidad de diseñar otro circuitoauxiliar que desfase 90o una de la otra. Las dimensiones de la antena tampoco son un punto a su favorya que las dimensiones del parche son muy grandes .

4.3. Elección de la topología nal y optimización del diseño

De todos los diseños que hemos analizados hasta ahora:

- los dos parches con los bordes modicados descritos en el apartado 4.2.1.1 los descartamos por lamala razón axial

- de los diseños del apartado 4.2.1.2 descartamos los dos primeros también por los malos resultadosde la razón axial

- el parche con dos puertos lo descartamos por necesidad de diseñar otro circuito auxiliar que desfase90o.

- con los parches que nos quedamos con el tercer parche de apartado 4.2.1.2 y el de la ranura diagonal

De estos dos parches elegimos para optimizarlo el tercer parche con esquinas modicadas ya que si fuesenecesario modicar la antena una vez construida este modelo sera mas fácil de ajustar en el laboratorioy los resultados son muy parecidos entre ellos.

A partir de ahora en la optimización nal del parche elegido vamos a centrarnos mas en la razón axialdentro de la banda de trabajo con lo que extenderemos el estudio a varios puntos frecuenciales para tratarde extender este ancho de banda en razón axial al máximo.

Cambiaremos también las condiciones de contorno en estos casos. Ahora cambiaremos todas las condicio-nes a 'open' simulando el efecto de un plano de masa y un sustrato nitos.

4.3.1. Primera optimización: aproximación de la alimentación al parche

La primera prueba que vamos ha hacer es aproximar un poco la alimentación al borde del parche. Paraello realizamos diversas pruebas reduciendo las distancia d.

El mejor diseño obtenido tras diversas pruebas es el siguiente:


Figura 4.29: Primera optimización tercer parche con esquina modicado

Los parámetros modicados para este diseños son los mismos que mencionamos en el apartado 4.2.1.2 ytambién la distancia entre el borde del parche y el puerto de alimentación (representado por la variabled). Las dimensiones de este diseño son las siguientes:




Tabla 4.9: Dimensiones primera optimización tercer parche con borde modicado

El mejor resultado obtenido en ancho de banda de adaptación es el siguiente:

Figura 4.30: Parámetro S11 primera optimización tercer parche con esquina modicado

A estas alturas del proyecto nos planteamos restringir más el rango de variación de la razón axial pasandoa un limite de 3dB

Para encontrar una ancho de banda de la razón axial dentro del rango de adaptación de la antena hacemosun estudio del campo lejano a diversas frecuencias. Los resultados de las mejores razones axiales son lassiguientes:


Figura 4.31: razón axial a diversas frecuencias primera optimización

Elegimos representar el diagrama de radiación a la frecuencia 2,31 Ghz que es donde hemos obtenido unamuy buena razón axial, también representaremos las coordenadas Eθ y Eφ tanto del plano XZ (plano E)y del plano YZ (plano H).

Figura 4.32: Diagrama de radiación en 3D primera optimización tercer parche con esquina modicado 2,31 Ghz


Eθ Plano XZ Eφ Plano XZ

Eθ Plano YZ Eφ Plano YZ

Figura 4.33: Coordenadas Eθ y Eφ en plano XZ y plano YZ a 2,31 Ghz primera optimización

En la siguiente gráca mostraremos los diversos resultados obtenidos con el estudio de la razón axial conrespecto a la frecuencia. Marcaremos también el limite de los 3db para apreciar el BW. Para la realizaciónde esta gráca usamos MatLab:

Figura 4.34: BW de la razón axial en la primera optimización

De los estudios realizados en este caso obtenemos los siguientes valores:


- El ancho de banda en adaptación:

BW = (2, 8649Ghz − 2.1534Ghz)/2, 4Ghz = 0, 2964 = 29, 64 %

- El ancho de banda para la razón axial menor de 3 db:

BW = (2, 41Ghz − 2.22Ghz)/2, 4Ghz = 0, 0791 = 7, 9 %

4.3.2. Segunda optimización: introducción de elementos con perdidas

El siguiente paso que introducimos es el cambio de elementos. Ahora introduciremos las perdidas de loselementos para que las simulaciones parezcan mas realistas.Cambiaremos el PEC utilizado en los anterioresdiseños para el plano de masa y el parche por cobre e introduciremos el valor de las perdidas para la capaFR-4:

- Para la bra de vidrio usaremos la capa FR-4, bra de vidrio con una permitividad eléctrica deε = 4.3 y tan(δ) = 0.025

- Usaremos cobre para el plano de masa y el parche con una conductividad 5.8e+007 S/m.

Otro de los cambios introducidos en este diseño es el cambio del puerto, ya que se cambia el puerto discretousado en los anteriores casos un puerto guía onda que sera el que introduciremos a la hora de construirlo.

Este tipo de cambios también afecta a los resultados por lo que debemos de volver a realizar una optimi-zación mediante el ajuste manual distintas variables del diseño hasta llegar a un resultado planteado enlos objetivos.

El diseño obtenido es el siguiente:

Figura 4.35: Segunda optimización tercer parche con esquina modicado

tras modicar las mismas variables mencionadas en el apartado anterior, las dimensiones de esta antenason las siguientes:




Tabla 4.10: Dimensiones segunda optimización tercer parche con borde modicado


Los mejores resultados obtenidos son los siguientes:

Figura 4.36: Parámetro S11 segunda optimización tercer parche con esquina modicado

Como en el caso anterior aquí también vamos a hacer un estudio del campo lejano a diversas frecuenciaspara encontrar un ancho de banda en la razón axial por debajo de los 3db.

Las diversas pruebas realizadas nos llevan a los siguientes resultados del ancho de banda de la razón axial:

Figura 4.37: razón axial a diversas frecuencias segunda optimización

Elegimos representar el diagrama de radiación a la frecuencia 2,30 Ghz que es donde hemos obtenido unarazón axial muy buena, también representaremos las coordenadas Eθ y Eφ tanto del plano XZ (plano E)y del plano YZ (plano H).


Figura 4.38: Diagrama de radiación en 3D segunda optimización tercer parche con esquina modicado 2,3 Ghz



Figura 4.39: Coordenadas Eθ y Eφ en plano XZ y plano YZ a 2,3 Ghz segunda optimización

La gráca de la razón axial frente a la frecuencia en este caso es la siguiente:


Figura 4.40: BW de la razón axial en la segunda optimización



BW = (2, 6512Ghz − 1, 7751Ghz)/2, 4Ghz = 0, 3650 = 36, 5 %


BW = (2, 4Ghz − 2.22Ghz)/2, 4Ghz = 0, 075 = 7, 5 %

4.3.3. Ultima optimización: introducción de elementos con perdidas

Al llegar a este punto del proyecto nos damos cuenta que tenemos una pequeña limitación a la hora defabricar la antena, la altura máxima conductor central del coaxial es 15mm y en nuestro diseño ya solola altura de la espuma es 15mm. El siguiente caso sera con una altura de la espuma un poco menor,concretamente de 13mm y con los materiales con perdidas que usamos para la segunda optimización.del conductor central del coaxial es 15mm y en nuestro diseño ya solo la altura de la espuma es 15mm.El siguiente caso sera con una altura de la espuma un poco menor, concretamente de 13mm y con losmateriales con perdidas que usamos para la segunda optimización. del conductor central del coaxial es15mm y en nuestro diseño ya solo la altura de la espuma es 15mm. El siguiente caso sera con una alturade la espuma un poco menor, concretamente de 13mm y con los materiales con perdidas que usamos parala segunda optimización.

El diseño resultante de esta prueba es el siguiente:

Figura 4.41: Última optimización tercer parche con esquina modicado


Modicando los mismos parámetros que ne apartado 4.3.1, las dimensiones resultantes son:


l 6,8 mmw 3,4 mmd 1,5 mmdp 0,9 mmh 13 mmt 1,5 mmt1 0,5 mm


Radio Cable Coaxial 1,035 mm

Tabla 4.11: Dimensiones última optimización tercer parche con borde modicado

La adaptación de este diseño es la siguiente:

Figura 4.42: Parámetro S11 última optimización tercer parche con esquina modicado

Como en los casos anteriores aquí también vamos a hacer un estudio del campo lejano a diversas frecuenciaspara encontrar un ancho de banda en la razón axial por debajo de los 3db.

En la siguiente tabla podemos ver los resultados:


Figura 4.43: razón axial a diversas frecuencias última optimización

Como en los casos anteriores vamos a representar las coordenadas Eθ y Eφ tanto del plano XZ (plano E)y del plano YZ (plano H) de la frecuencia 2,45 Ghz que es donde hemos obtenido muy buena razón axial.

Figura 4.44: Diagrama de radiación en 3D última optimización tercer parche con esquina modicado 2,45 Ghz




Figura 4.45: Coordenadas Eθ y Eφ en plano XZ y plano YZ a 2,45 Ghz última optimización

Como en los caso anteriores mostramos la gráca de la razón axial frente a frecuencia para poder apreciarle BW de la razón axial:

Figura 4.46: BW de la razón axial en la ultima optimización




BW = (2, 8729Ghz − 2, 15Ghz)/2, 4Ghz = 0, 3012 = 30, 12 %


BW = (2, 56Ghz − 2.36Ghz)/2, 4Ghz = 0, 0833 = 8, 3 %

Capítulo 5

Construcción del prototipo

5.1. Medidas

Después de todos estos diseños enviamos a construir el diseño al taller de la Ocina Técnica de la EscuelaPolitécnica Superior de la universidad Carlos III de Madrid el último modelo con las dimensiones obtenidasla tabla 4.11 . El diseño enviado a laboratorio es el siguiente:

Figura 5.1: Frontal diseño enviado a construir

Figura 5.2: Trasera diseño enviado a construir

La antena es compuesta de tres sustratos apilados:

- Una capa de FR4 de espesor h=1.5mm (en marrón) cuya parte de abajo hace de plano de masa (vacompletamente metalizada). La capa de arriba de este sustrato no tiene ninguna metalización. Enla parte de abajo va soldado un conector coaxial SMA de antena (de los de hilo central largo).

- Una capa de espuma de h=13 mm que separa el sustrato anterior del siguiente (va en azul claro) yque se consigue con dos espumas de 10mm y 3mm apiladas.

- Un parche y una metalización adicional que van fotograbados sobre sustrato FR4 de espesor h=0.5mm(en marrón, arriba). En la cara inferior de este sustrato (la que va en contacto con la espuma), nohay ninguna metalización. En el centro de la metalización rectangular pequeña va soldado el hilocentral del conector SMA. El cuerpo del conector va soldado al plano de masa por abajo.

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CAPÍTULO 5. CONSTRUCCIÓN DEL PROTOTIPO 48

El resultado obtenido en el laboratorio es el siguiente:

Figura 5.3: Frontal diseño construido

Figura 5.4: Trasera diseño construido

Las pruebas realizadas en los laboratorios de la Universidad Carlos III de Madrid con el equipo AGILENT8753E S-parameter Network Analyzer nos dan una serie de valores con los cuales construimos las siguientesgrácas en MatLab para comparar los datos del ancho de banda en adaptación obtenidos en la simulacióncon el construido:

CAPÍTULO 5. CONSTRUCCIÓN DEL PROTOTIPO 49

Figura 5.5: Adaptación obtenida en el laboratorio

Capítulo 6

Conclusiones y futuras líneas deinvestigación

6.1. Conclusiones

Uno de los objetivos planteados era conseguir diseñar y construir una antena de parche con un gran anchode banda en adaptación por debajo de los -10db y que dentro de ese ancho de banda radiara con unapolarización circular.

Para llegar a esto empezamos nuestro diseño con una antena que nos proporcionaba un gran ancho debanda. Esta antena se caracterizaba sobre todo en el diseño del puerto de alimentación, el cual no estabadirectamente conectado al parche sino a una pequeña distancia del borde del parche. Esta característicajunto a la altura de la espuma es la que nos permitía obtener un gran ancho de banda en adaptación.

Las siguientes simulaciones las centramos en obtener la polarización lineal. Para ello intentamos unaserie de diseño: uno con la excitación de la antena mediante dos puertos con modos ortogonales entreellos y desfase de 90 grados, y otro con la excitación de un solo puerto pero añadiendo o eliminadounas muescas al parche. Para llegar a la elección de nuestro diseño realizamos una serie de pruebasmodicando los medidas del largo y ancho tanto del parche como el del puerto de alimentación. De todasestas alternativas, descartamos la de la alimentación de los dos puertos por la necesidad de construirun circuito desfasador. De las alternativas con alimentación de un solo puerto, nos quedamos con la quese añaden unas muescas rectangulares ya que era un diseño que nos daba buenos resultados tanto enadaptación como en polarización así como nos hubiese resultado mas fácil modicarla una vez construida.

Después de haber elegido el diseño que mas hemos creído oportuno nos dispusimos a optimizar los resul-tados mediante el cambio de los materiales a materiales con perdidas (mas cercanos a los materiales queusamos en la construcción) y el cambio de puerto por el de un cable coaxial. Decidimos probar cambiarla distancia entre el puerto y la antena ya que en la antena que diseñamos con un gran ancho de bandaesta entrada en una frecuencia menor. Este cambio nos proporciona unos valores mucho mejores tantoen ancho de banda como en razón axial. También tuvimos una limitación por parte de la altura de lasonda que íbamos a usar en la construcción ya que esta era mas corta que la altura total del parche. Lassiguientes simulaciones nos permitió observar en que inuida la altura de la antena a nuestros resultados.A medida que reducimos la altura de la espuma pudimos ver como el ancho de banda en adaptación sereducía pero los valores de la razón axial como su ancho mejoraban. Esto es debido que la sonda coaxialal ser mas corta introduce menos interferencia en la radiación.

Tras la construcción del prototipo de la antena y los resultados que hemos recogido de la prueba se pudeobservar en la gura 5.5 el siguiente ancho de banda aproximado en adaptación

BW = (3, 1Ghz − 2, 3Ghz)/2, 4Ghz = 0, 3333 = 33.33 %

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CAPÍTULO 6. CONCLUSIONES Y FUTURAS LÍNEAS DE INVESTIGACIÓN 51

Comparado con el que obtuvimos en le laboratorio es ligeramente superior los obtenidos con las simulaciónde CST (aproximadamente un 3 %) lo que si notamos es que la frecuencia central esta algo mas elevadaen el resultado del laboratorio que los resultados obtenidos en las simulaciones.

En la gura 5.5 se puede ver que la frecuencia esta mas centrada en los 2.6 Ghz mientras que en lasimulación nos la encontramos mas cercana a la frecuencia 2.4Ghz. Las medidas realizadas en el laboratoriono lo has hemos medido en cámara anecoica, esto introduce un mayor margen de error en los resultados.Podemos concluir que las medidas del laboratorio conrman los resultados esperados en la simulación, almenos para el caso de las pérdidas de retorno

Los resultados obtenidos en las diversas simulaciones como en el laboratorio se puede llegar a concluirque se puede conseguir que la antena radie con polarización circular en una franja considerable del anchode banda en adaptación y todo esto mediante la alimentación de un solo puerto y modicación de lasdimensiones y forma de la antena.

6.2. Futura lineas de investigación

Como posibles futuras investigaciones con este diseño se podría realizar la caracterización experimentalde la radiación en una cámara anecoica para obtener unos resultados mas precisos

También se podría probar otro tipo de perturbaciones para ver si se llega resultados similares .

Otra de las cosa que se observa en la gura 5.5 es que por muy poquito se aproxima a otra banda defrecuencia por debajo de los -10db, seria la banda de los 2 Ghz. Se podría hacer un estudio con la alturade la espuma que simula el vació un poco mas grande, de unos 14 mm para ver si conseguimos incluirotra banda mas en adaptación y vericar como se comportaría el ancho de banda con respecto a la razónaxial.

Las dimensiones del plano de masa es otro factor que se podría analizar. Es nuestros estudios hemosusado siempre as mismas dimensiones aunque algunas veces los mejores resultados de las simulacionesnos han dado una antena muy grande. Se podría realizar un estudio de la adaptación y razón axial conunas medidas menores del plano de masa ya que seguramente este cambio se vera deteriorada polarizacióncircular.

CAPÍTULO 7. PRESUPUESTO 53

Capítulo 7

Presupuesto

CAPÍTULO 7. PRESUPUESTO 54

Bibliografía

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